改进的自适应kalman滤波方法及其在auv组合导航中的应用

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1、万方数据高技术通讯2013年第23卷第2期：】74。180———————————————————————————————————————————————————————一一doi：10．3772／j。issn．1002J0470。2013．02．010改进的自适应Kalman滤波方法及其在AUV组合导航中的应用①孙玉山②李岳明万磊庞永杰(哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室哈尔滨150001)摘要针对自主水下机器人(AuV)的工作特点与执行水下作业任务时对导航的需求，构建了基于航位推算的AuV组

2、合导航系统体系结构，建立了水下机器人运动方程与观测方程，采用自适应卡尔曼滤波对水下机器人传感器信息进行数据处理。针对自适应卡尔曼滤波方法的缺点，采取渐消记忆指数加权方法引入了遗忘因子，并采用预报残差的方法求解最佳遗忘因子，同时采取措施保证了系统噪声估计方差阵和测量噪声估计方差阵的半正定性和正定性，避免了滤波发散现象。海试实验结果表明，改进的自适应卡尔曼滤波具有良好的滤波效果，可以满足水下机器人执行各种作业任务的水下导航定位精度。关键词自主水下机器人(AuV)，组合导航，航位推算，自适应卡尔曼滤波O

3、引言卡尔曼滤波在水下机器人导航中有重要应用。随着水下机器人在科学考察、水下工程、海洋研究及海洋资源开发等领域的广泛应用¨。J，水下导航的问题日显突出。水下机器人要实现远程自主航行和执行各种任务，需要可靠获得姿态、位置等导航信息。航位推算导航目前仍是水下机器人重要的导航方法之一，用此方法，水下机器人只需配备深度计、速度计、姿态传感器等，通过软件就可构建一定精度的可靠、实时的水下自主导航系统H引。航位推算是一种低成本的水下导航方法，虽然其误差会随航行时间而累积，一般需要一定时间进行导航位置修正，通过改

4、进与加强数据滤波处理，就可以提高水下导航的定位精度。卡尔曼滤波方法每次运算只需要前一时刻的估计数据和当前的量测数据，算法简单，容易实现，在水下导航领域有着广泛的应用。Marco等∞。将扩展卡尔曼滤波应用于NPS开发的ARIES的自主水下机器人(autonomousunderwatervehicle，AUV)的导航系统。莫军"1将一种防发散的卡尔曼滤波用于水下航位推算导航数据滤波。Lee¨1将一种间接反馈卡尔曼滤波方法应用于由惯性器件、多普勒测速仪、磁罗经、深度计等组成的水下导航系统，进行了仿真与实

5、际试验，取得了较好的效果。孙玉山等Mo将一种改进的强跟踪卡尔曼滤波方法应用于由光纤陀螺、多普勒速度计、深度计等组成的基于航位推算的AuV水下组合导航系统，并进行了相应的海试试验。卡尔曼滤波算法是递推的，优点是简单、易于实现，但较易发散。sage．Husa自适应滤波算法是卡尔曼滤波的一种改进滤波方法，它通过时变噪声系统的估计值来实时估计、修正系统观测噪声的统计特性，达到抑制滤波发散、降低系统模型误差和提高滤波精度的目的。但Sage．Husa自适应滤波算法存在下述缺点：由于需要对系统噪声和测量噪声统计

6、特性进行计算，故计算量增加较大，另外为了满足系统无偏估计的要求，在进行系统和量测噪声方差阵的计算时也易造成它们失去正定性和半正定性而导致波发散。本研究针对Sage—Husa自适应滤波算法的缺点进行了改进，并将其应用在基于航位推算的自主水下机器人组合导航系统中。1水下组合导航系统体系结构自主水下机器人(AUV)导航系统基于PCI04平台在基于Vxworks的实时嵌入式操作系统上运行，导航传感器包括速度计、深度计、姿态传感器、高①863计划(2008AA092301)和中国博士后科学基金(201004

7、80964，2012T50331)资助项目。②男，1973年生，博士，副教授；研究方向：水下机器人导航与智能控制；联系人，E-mail：sunyu8han@hrbeu．edu．cn(收稿日期：2012旬3．26)一174—万方数据孙玉山等：改进的自适应Kalman滤波方法及其在AuV组合导航中的应用度计及GPS系统等。AuV组合导航系统硬件结构如图1所示，采用基于PCI04总线的多板嵌入式系统，集成了Pentium(M)处理器模块、串口板模块和电源模块等。图1水下机器人导航系统结构水下导航系统主要

8、通过网络与水下机器人各分系统来实现信息与数据的通信，通过串口采集导航传感器数据信息。为了便于研究开发过程中的调试、修改，水下机器人的导航系统设计采用模块化思想，主要包括系统软件、网络通讯、串口通信、数据处理滤波、坐标转换和航位推算导航模块等。AuV组合导航系统信息流程如图2所示。其中①为导航系统通过串口接收的GPs数据信息及组A口导航算法⑥川仆通过网络从控制系统发送的水下机器人姿态、速度等运动传感器原始数据信息；②是原始运动传感器数据信息经过平滑、野值剔除等数据预处理后的数据信息；